基于光纖傳感技術的滲流監測室內模型試驗研究

劉 健 　 李紅濤 　 張 蕾

(1.山東大學土建與水利學院，山東 濟南　250061;　2.山東大學基建部,山東 濟南　250100)

1　概述

水庫壩體安全是關系到人民生命財產安全、國民經濟建設和生態環境保護的重大問題。影響水庫壩體安全的因素眾多，數據統計資料表明，滲透變形與滲漏所占比重最大，近32%的安全事故是由于滲流所引發[1]。

目前光纖技術已逐漸成為當前安全監測領域的研究熱點，成功應用于大體積混凝土溫度、裂縫監測、邊坡監測、面板壩、面板裂縫監測等。與傳統的滲流監測技術相比，光纖傳感技術具有明顯優勢：一是能實現分布式監測，從根本上克服點式檢測的空間不連續性造成的漏檢、漏報險情問題；二是光纖精巧輕柔，不影響埋設部位的性能和力學參數；三是抗電磁干擾，可靠耐久，靈敏度高，易與光纖傳輸集成共同構成遙測自動化系統等[2,3]。現階段的研究主要集中在光纖監測數學、微分方程的確定，壩體滲流場參數與動態溫度的定量耦合關系還需要大量的試驗進行驗證。因此，本文開展室內模型試驗，研究了光纖傳感技術監測溫度與壩內滲流參數之間的動態關系，為光纖傳感技術在實際工程中的應用提供了技術支持[4-6]。

2　室內模型試驗設計

2.1　光纖傳感技術滲流監測原理

光纖溫度傳感系統(DTS)是一種用于實時測量空間溫度場分布的傳感系統。測量系統由分布式光纖溫度測量儀和光纖傳感器兩部分組成，DTS組成又包括激光組件、光纖波分復用器、光電接收放大組件、信號處理系統，系統中光纖既是傳感器也是傳輸通道。DTS可以實現對光纖所通過地方溫度場的連續、分布式的實時測量，并通過光時域反射技術(OTDR)實現測溫點的定位，從而可實現對多孔介質中滲流的監測。由于滲流發生前，存在的熱量傳遞形式只有光纖與多孔介質之間的熱傳導，滲流發生后，多了光纖與水之間的熱對流與熱傳導，因此滲流區與非滲流區相比就會出現溫差。通過光纖溫度傳感系統所得的溫度分布曲線和理論分析，即可分別實現對滲流區位置的定位和滲流速度的計算。

2.2　試驗裝置

1)相似比設計。依托于南水北調東線工程大屯水庫，設計本文模型的相似比。本模型的流速相似比、流量相似比和時間相似比都是基于幾何相似比和滲透系數相似比而來的。同時考慮到試驗的可操作性和尺寸效應，本試驗的幾何相似比為1∶25，滲透系數相似比為1∶1。

2)模型試驗系統。模型槽長4.0 m，寬1.0 m，高1.0 m，側面設有測壓管和帶有閥門的溢流孔。測壓管模型槽接口距底部20 cm，水平間距40 cm。溢流孔間距10 cm，用于調控水頭高度。模型槽一側設有進水口，另一側底部設有出水口，出水口可以及時排出通過滲流到達另一側的水。壩體模型高80 cm，下部墊層高20 cm，壩頂寬40 cm。壩體填筑材料采用粗砂，控制壓實度，同樣采用分層填筑的方式。整個試驗裝置如圖1所示。

試驗中采用的光纖為碳纖維加熱光纖，型號NZS-DTS-C11。DTS解調儀分辨率為1 m，為提高分辨率，采取將光纖纏繞在直徑5 cm PVC管上的方式，PVC管長度50 cm，纏繞過程中使光纖之間緊密接觸，確保對光纖加熱過程中使其均勻受熱，同時可達到提高空間分辨率的效果，埋置時光纖測管距模型槽底部20 cm，埋置位置如圖2所示。

2.3　試驗步驟

試驗水頭設置為10 cm,20 cm,30 cm,40 cm，加熱裝置通過采用變壓器以及電流表來控制碳纖維的溫度變化，測量設備采用分布式光纖測溫系統實時測量光纖沿程各點溫度。通過水管向模型槽內注水，待水位達到10 cm水位時，打開預先安裝好10 cm處溢流孔，來實現水頭高度恒定。實時觀測模型槽外側測壓管，待另一側滲出水時，通過量筒每5 min量測一次出水量。待水量穩定時，開啟加熱設備，加熱22 min停止加熱。繼續下一組試驗，關閉下方溢流孔，水位達到20 cm時，打開20 cm高度處預設溢流孔，必要時可同時打開下方10 cm高度處溢流孔實時控制水頭高度，量筒每5 min量測一次出水量，待水量穩定時，重復上組試驗操作步驟。按此步驟逐級加載水頭，完成試驗。

3　試驗結果

從PVC管底部沿其垂直高度方向每3 cm設置一個光纖測點，分別為0 cm高度處測點、3 cm高度處測點、6 cm高度處測點、9 cm高度處測點。將纏繞的感測光纖長度轉化為PVC管的長度，然后分析各點溫度變化趨勢，如圖3所示。

從不同水頭情況下光纖上各測點的溫度變化曲線可以看出：在不同水頭高度情況下，PVC管上各測點光纖溫度均隨加熱時間的增大顯現增大趨勢，當加熱時間達到15 min時，光纖溫度趨于平穩。各水頭條件下光纖達到穩定溫度的時間以及溫升幅度隨測點高度的增加呈現增加的趨勢。

不同高度測點的溫升值變化曲線如圖4所示，各測點的溫升幅度隨水頭高度的增加呈現減小的趨勢，同時隨著測點高度的增加溫升幅度逐漸增大。

4　結語

通過光纖溫度傳感系統(DTS)室內模型試驗，得到以下結論：

1)滲流發生時，預埋置在壩體模型中的光纖上各測點溫度隨著加熱時間的增加呈現出先增大后趨于穩定的趨勢，各水頭條件下光纖達到穩定溫度的時間以及溫升幅度隨測點高度的增加呈現增加的趨勢。2)光纖上各測點的溫升幅度隨水頭高度的升高逐漸減小，隨著測點高度的增加逐漸增大。3)結合室內模型試驗得到的同種壓實度工況下光纖溫升值與土石壩上游水頭之間的線性擬合結果，即可監測壩體內特定點的滲流場參數。

參考文獻：

[1]柯禮丹,牛運光.我國大壩安全問題及展望[M].北京:水利電力出版社，1981.

[2]薛志平，何金田，張全法.滲漏檢測技術研究進展[J].建筑技術開發，2004(31):116-118.

[3]蔡德所.光纖傳感技術在大壩工程中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2002.

[4]肖衡林.滲漏監測的分布式光纖傳感技術的研究與應用[D].武漢:武漢大學,2006.

[5]王新建,許寶田,陳建生.溫度場探測堤壩集中滲漏研究綜述[J].水利水電科技進展,2008，28(3)：89-94.

[6]吳善荀.基于分布式光纖測溫的滲流監測系統研究[D].北京：清華大學碩士學位論文，2010.